Batterieherstellung: Funktionsprinzip; Aufbau; Herstellung; Anlagen.

Fertigungstechnik Batterieherstellung
Crystec Technology Trading GmbH

Herstellung bzw. Produktion von Batterien

In Zeiten der globalen Erderwärmung und dem Ziel den weltweiten CO2-Ausstoß so gering wie möglich zu halten, kommt dem Bereich der Elektromobilität und damit der Entwicklung von Batterien eine immer größere Bedeutung zu. Der bekannteste Vertreter ist dabei die Lithium-Ionen-Batterie. Für dessen Herstellung kann Crystec in Zusammenarbeit mit seinen Partnerherstellern aus Südostasien (Korea, Japan, Taiwan, China) besonders effiziente Anlagen / Maschinen anbieten. Diese können sowohl mit manueller als auch vollautomatischer Beladung produziert werden. Dabei sind wir bei der Beschaffung einzelner Maschinen oder ganzer Produktionsstraßen gerne behilflich.

Für die Produktion der Lithiumionenbatterie ist eine Reihe von verschiedenen Fertigungsanlagen nötig, die im Folgenden aufgelistet werden:

Mixer

KGA-Korea  Mixer für die Batterieherstellung

Im Mixer wird das Anoden- bzw. Kathodenmaterial mit Additiven vermengt, aber auch Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCC) oder Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken (LTCC) können hergestellt werden. Eine voll automatisierte In-Line-Maschine zur Integration in eine Produktionslinie, sowie einzeln stehende Geräte sind möglich.


PD-Mixer für Produktionsstraße

Beschichter bzw. Coater

KGA-Korea  Beschichter für die Batterieherstellung

Die Beschichter, die ebenfalls einen Trocknungsschritt durchführen, werden zur Produktion der Separator-Membrane eingesetzt. Für die Beschichtung wird in der Regel eine Schlitzdüsenbeschichtung gegen die Rolle ausgerichtet.


Batterie-Beschichter, Einzelmaschine

Rollen Presse

KGA-Korea  Rollen-Presse für die Batterieherstellung

Die Rollenpresse wird zur Massenproduktion von Kathoden und Anoden-Material eingesetzt, welches das Herzstück der Batterieherstellung darstellt.


Rollen-Presse für vollautomatische Produktionslinie

Rollenschneid- und Wickelmaschinen

KGA-Korea  Rollenschneid- und Wickelmaschinen für die Batterieherstellung

Diese Anlage wird nach Bedarf hinter der Rollenpresse oder dem Beschichter eingesetzt, um die entstandenen Membran- oder Elektrodenschichten auf die Richtige Größe zuzuschneiden.


Batterie-Schneider-Wickler, Einzelmaschine

Notching Maschine

KGA-Korea  Notching Maschine für die Batterieherstellung

Die so genannte Notching Maschine zu Deutsch Einkerbemaschine stellt eine Alternative zur Rollenschneid- und Wickelmaschinen für das Schneiden Der Elektroden dar. Der Schnitt erfolgt hierbei anders als beim Rollenscheider Laser-basiert.


Batterie-Notching

Stacker Anlage

KGA-Korea  Stacker für Batteriezellen

Um eine höhere Energiedichte und Lebensdauer zu erreichen, werden mehrere Batteriezellen (Vereinfacht bestehend aus Anode, Kathode und Separator) parallel geschaltet und gestapelt. Um diesen Prozessschritt durchzuführen wird eine Stacking-Anlage benötigt bei der die gestapelten Batteriezellen in einem Laminierungsschritt, ähnlich wie bei einer Brennstoffzelle verschmolzen werden.


Batterie-Stacking

Verpackungsmaschine

KGA-Korea  Batterie Ummantelung

Als abschließender Schritt wird der Batteriezellenstack ummantelt. Abhängig von der herzustellenden Batterie, muss das Ganze gegebenenfalls noch versiegelt oder entgast werden.


Batterie-sealing

Funktionsprinzip Batterien

Batterien müssen zunächst in primäre und sekundäre Batteriesysteme unterschieden werden. Während primäre Systeme nicht wieder aufladbar sind, können die sekundären Systeme, auch bekannt als Akku bzw. Akkumulator, durch elektrische Energie wieder aufgeladen werden.

Aufbau

Der Lithium-Ionen-Akku setzt sich in der Regel aus mehreren in Serie oder parallel geschalteten Zellen zusammen. Dadurch kann sowohl die Nominalspannung, als auch die Kapazität der Batterie angepasst werden. Die Verbindung erfolgt hierbei durch Verschweißen mit Nickel-Bändern. Der schichtartige Aufbau der Zelle ist in folgender Grafik veranschaulicht:

Li-Ionen-Zelle
Schichtaufbau einer Li-Ionen-Zelle

Das Herzstück der Zelle bilden dabei die beiden Elektroden. Bei der negativen Elektrode wird in der Regel Grafit eingesetzt, während die positive Elektrode aus einem Lithium-Metalloxid besteht.
Die Zelle ist mit einem flüssigen Ionen-leithäfigek Elektrolyten gefüllt, in dem sich die Li-Ionen frei bewegen können. Getrennt werden die beiden Feststoffelektroden durch eine semi-permeable, also nur für Li-Ionen durchgängige, Separator-Membran.
Die Kathode befindet sich auf einer Aluminiumfolie, während die Anode auf einer Kupferfolie aufgebracht ist. Zwei verschiedene Materialien sind hier notwendig, da Aluminium an der Anode mit Li-Ionen reagieren würde und Kupfer an der Kathode korrodiert.

Chemische Prozesse

Die Chemischen Prozesse unterscheiden sich durch die gewählten Metalloxide. Entsprechend sollen diese hier am Beispiel der CoO2- Zelle beschrieben werden:

Anode – negative Elektrode
LiC6 → Li-xC6 +xLi + xe-

Kathode – positive Elektrode
LiyCoO2 + x Li+ + x e- → Lix+y CoO2

An dieser Gleichung kann man schön erkennen, dass keine chemische Umwandlung der eingesetzten Materialien stattfinden, sondern nur Li-Ionen wandern. Selbiges gilt für andere Lithium-Metalloxide.

Ladung und Entladung

Beim Ladevorgang werden, durch das Anlegen eines Potentials, positiv geladene Li-Ionen (Li+) aus dem Lithium Metalloxid gelöst und wandern zur Grafit-Anode. Beim Entladen wandern die Lithium Ionen zurück zum Metalloxid und Elektronen können über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode fließen.